JP4928141B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池の組み付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体に積層される燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池の組み付け方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持することにより単位セルとして構成されている。

上記の燃料電池は、高出力を得るために、通常、数十〜数百の単位セルを積層してスタックを構成している。その際、各単位セルを正確に位置決めする必要があり、このため、前記単位セルを積層方向に貫通して位置決め用孔部を形成するとともに、前記位置決め用孔部にノックピンを挿入する作業が行われている。

例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池１は、図１０に示すように、単位セル２と、この単位セル２を挟んで配置されるセパレータ３ａ、３ｂとを備えている。単位セル２は、固体高分子電解質膜２ａと、この固体高分子電解質膜２ａの一面に設けられるアノード側電極２ｂと、前記固体高分子電解質膜２ａの他面に設けられるカソード側電極２ｃとにより構成されている。

燃料電池１には、積層方向に貫通して保持ピン挿入用保持孔４が形成されるとともに、セパレータ３ｂには、止め輪挿入用保持孔５が形成されている。保持ピン挿入用保持孔４には、保持ピン６が挿入されており、この保持ピン６の止め輪挿入溝６ａには、止め輪挿入用保持孔５に配置されている止め輪７が取り付けられている。保持ピン６の先端には、面取り加工が施されたピン先端６ｂが設けられる一方、前記保持ピン６の後端には、他の保持ピン６のピン先端６ｂが嵌合される挿入穴６ｃが形成されている。

このような構成において、保持ピン６が燃料電池１の保持ピン挿入用保持孔４に挿入されるとともに、止め輪挿入用保持孔５から止め輪７が挿入される。そして、この止め輪７が、保持ピン６の止め輪挿入溝６ａに嵌め込まれることにより、燃料電池１が積層状態で保持される。

その際、保持ピン６のピン先端６ｂは、セパレータ３ｂの外面よりも突出している。このため、ピン先端６ｂが、他の燃料電池１を保持している保持ピン６の挿入穴６ｃに嵌合することにより、互いに隣接する燃料電池１同士の位置決めが行われる、としている。

特開２０００−１２０６７号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池１を組み付ける際に、保持ピン挿入用保持孔４に保持ピン６を挿入するとともに、止め輪７を前記保持ピン６の止め輪挿入溝６ａに嵌め込む作業が必要になる。このため、燃料電池１の組み付け作業が煩雑化するという問題がある。

特に、多数の燃料電池１を積層して燃料電池スタックを構成する際には、各燃料電池１の組み付け作業に時間がかかってしまい、前記燃料電池スタックの組み付け作業全体が効率的に遂行されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、セパレータ同士の位置決めが容易且つ確実に遂行されるとともに、燃料電池の組み付け作業全体を確実に効率化することが可能な燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池の組み付け方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体に積層される燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。そこで、先ず、互いに積層される金属製プレート同士を積層方向に位置決めする位置決め部材が、成形型内にインサート部品として少なくとも一方の前記金属製プレートに設けられた位置決め用孔部に配置される。次いで、成形型内に溶融樹脂が射出されて、金属製プレートにシール部材が一体成形された燃料電池用セパレータが得られる。

さらに、本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体の両側に燃料電池用セパレータが積層される燃料電池の組み付け方法に関するものである。そこで、先ず、互いに積層される第１及び第２金属製プレート同士を積層方向に位置決めする第１及び第２位置決め部材が、成形型内にインサート部品として前記第１及び第２金属製プレートに設けられた第１及び第２位置決め用孔部に配置される。

次いで、成形型内に溶融樹脂が射出されて、第１及び第２金属製プレートに第１及び第２シール部材が一体成形された第１及び第２燃料電池用セパレータが得られる。さらに、第１及び第２燃料電池用セパレータ間に電解質・電極構造体が介装されるとともに、第１位置決め部材と第２位置決め部材とを互いに嵌合させることにより、前記第１及び第２燃料電池用セパレータ同士を相対的に位置決めして燃料電池が得られる。

さらにまた、シール部材は、位置決め部材の少なくとも一部を埋設して前記位置決め部材を金属製プレートに保持することが好ましい。また、第１及び第２シール部材は、第１及び第２位置決め部材の少なくとも一部を埋設して前記第１及び第２位置決め部材を第１及び第２金属製プレートに保持することが好ましい。

本発明によれば、金属製プレートに位置決め部材が配置されるとともに、前記位置決め部材をインサート部品として前記金属製プレートにシール部材が一体成形されている。従って、セパレータの製造作業が簡素化されるとともに、位置決め部材が前記セパレータに一体化されるため、前記セパレータ同士の位置決め作業が一挙に容易且つ確実に遂行される。これにより、セパレータ自体を経済的に構成することができ、しかも燃料電池の組み付け作業全体を確実に効率化することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１２の概略構成説明図である。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層した積層体１４を備える。積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設されており、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、所定の締め付け荷重が付与されている。

図２に示すように、燃料電池１０は、電解質膜（電解質）・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。

アノード側電極３８及びカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に形成される。

図３に示すように、第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４６が形成される。この燃料ガス流路４６は、例えば、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の溝部を備える。図２に示すように、第１セパレータ２４の面２４ａとは反対の面２４ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４８が形成される。この冷却媒体流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。

第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路５０が設けられる。酸化剤ガス流路５０は、例えば、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の溝部を備える。第２セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂには、第１セパレータ２４の面２４ｂと一体に冷却媒体流路４８を形成する（図１参照）。

図２〜図４に示すように、第１セパレータ２４は、冷却媒体排出連通孔３２ｂと燃料ガス排出連通孔３４ｂとの間、及び、燃料ガス供給連通孔３４ａと冷却媒体供給連通孔３２ａとの間に、それぞれ第１位置決め用孔部５２を設ける。図２及び図４に示すように、第２セパレータ２６は、第１セパレータ２４と同様に、冷却媒体排出連通孔３２ｂと燃料ガス排出連通孔３４ｂとの間、及び、燃料ガス供給連通孔３４ａと冷却媒体供給連通孔３２ａとの間に、それぞれ第２位置決め用孔部５４を設ける。

第１セパレータ２４は、第１金属製プレート５５を有するとともに、面２４ａ、２４ｂには、この第１金属製プレート５５の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第１シール部材５６は、面２４ａ、２４ｂにそれぞれシールライン５８ａ、５８ｂを有する（図２及び図３参照）。

図３に示すように、シールライン５８ａは、燃料ガス流路４６を燃料ガス供給連通孔３４ａ及び燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する一方、前記燃料ガス流路４６を酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂから遮蔽する。シールライン５８ａは、第１位置決め用孔部５２を液密に囲繞する周回シール部材６０ａを一体に設ける。

図２に示すように、シールライン５８ｂは、冷却媒体流路４８を冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通する一方、前記冷却媒体流路４８を酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、燃料ガス供給連通孔３４ａ及び燃料ガス排出連通孔３４ｂから遮蔽する。シールライン５８ｂは、第１位置決め用孔部５２を液密に囲繞する周回シール部材６０ｂを一体に設ける。

図２及び図４に示すように、第２セパレータ２６は、第２金属製プレート６２を有するとともに、面２６ａ、２６ｂには、この第２金属製プレート６２の外周端縁部を周回して第２シール部材６４が一体成形される。第２シール部材６４は、第１シール部材５６と同様に、面２６ａ、２６ｂにそれぞれシールライン６６ａ、６６ｂを有する（図２参照）。

シールライン６６ａは、酸化剤ガス流路５０を酸化剤ガス供給連通孔３０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通するとともに、前記シールライン６６ａには、第２位置決め用孔部５４を液密に囲繞する周回シール部材６８ａが一体に設けられる。

シールライン６６ｂは、冷却媒体流路４８を冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通するとともに、前記シールライン６６ｂには、第２位置決め用孔部５４を液密に囲繞する周回シール部材６８ｂが一体に設けられる。

図４に示すように、第１位置決め用孔部５２は、第２位置決め用孔部５４よりも大径に構成される。この第１位置決め用孔部５２には、第１絶縁性ブッシュ７２が第１シール部材５６を介して保持されるとともに、前記第１シール部材５６は、前記第１絶縁性ブッシュ７２の少なくとも一部、例えば、後述するフランジ部７５の外周縁部を埋設して保持する重合部６０ｃを有する。

第２位置決め用孔部５４には、第２絶縁性ブッシュ７４が第２シール部材６４を介して保持される。この第２シール部材６４は、第２絶縁性ブッシュ７４の少なくとも一部、例えば、後述するフランジ部７７の外周縁部を埋設して保持する重合部６８ｃを有する。

第１及び第２絶縁性ブッシュ７２、７４は、絶縁性、射出成形性及び硬度に優れる、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＬＣＰ（液晶ポリマ）等により構成される。

第１絶縁性ブッシュ７２は、孔部７３を有する略リング状に形成され、第１セパレータ２４の面２４ｂ側で第１金属製プレート５５の金属露出面に接触するフランジ部７５と、前記第１セパレータ２４の第１位置決め用孔部５２に嵌合する膨出部７６を有する。

第２絶縁性ブッシュ７４は、略リング状に形成され、第２セパレータ２６の面２６ａ側で第２金属製プレート６２の金属露出面に当接するフランジ部７７と、前記第２セパレータ２６の第２位置決め用孔部５４に嵌合する第１膨出部７８と、前記第１膨出部７８とは反対側に突出するとともに、第１絶縁性ブッシュ７２の孔部７３に嵌合する第２膨出部８０とを一体的に備える。第２絶縁性ブッシュ７４は、第１膨出部７８の内方に凹部８２が設けられるとともに、第２膨出部８０の内方に軸方向（積層方向）に膨出して凸部８４が設けられる。

電解質膜・電極構造体２２には、第１及び第２位置決め用孔部５２、５４に対応する位置に第１及び第２絶縁性ブッシュ７２、７４を挿通可能な逃げ用孔部８６が形成される（図２及び図４参照）。

次に、第１セパレータ２４を製造する作業について、図５〜図８を参照しながら説明する。なお、第２セパレータ２６は、第１セパレータ２４と同様に製造されるため、その詳細な説明は省略する。

先ず、図５に示すように、第１金属製プレート５５の第１位置決め用孔部５２に第１絶縁性ブッシュ７２が配置される。第１金属製プレート５５は、図６に示すように、第１絶縁性ブッシュ７２をインサート部品として成形型９０に装填される。

成形型９０は、第１金属製プレート５５を位置決め支持するための下型９２と、上型９４とを備える。上型９４は、第１金属製プレート５５及び第１絶縁性ブッシュ７２の外周縁部に第１シール部材５６を一体成形するためのキャビティ９６を形成するとともに、前記第１絶縁性ブッシュ７２のフランジ部７５を支持するための膨出部９４ａを設ける。上型９４には、第１絶縁性ブッシュ７２の孔部７３と同軸上に孔部９４ｂが形成されている。

そこで、孔部７３、９４ｂに位置決めピン９８が挿入され、前記位置決めピン９８により第１絶縁性ブッシュ７２と上型９４とが位置決めされた状態で、キャビティ９６には、例えば、シリコーン樹脂を所定温度（例えば、１６０℃〜１７０℃）に加熱した溶融樹脂が射出される。

キャビティ９６に充填された溶融樹脂が固化することにより、第１金属製プレート５５の一方の面５５ａには、第１シール部材５６を構成する一方のシール部５６ａが設けられる（図７参照）。このシール部５６ａは、第１絶縁性ブッシュ７２のフランジ部７５の外周縁部を埋設する重合部６０ｃを一体に有する。

次いで、図７に示すように、下型９２に代えて、成形用の下型１００が用いられる。この下型１００は、第１金属製プレート５５の他方の面５５ｂ側にキャビティ１０２を形成するとともに、前記第１金属製プレート５５を支持するための膨出部１０４を設けている。

そこで、キャビティ１０２には、上記と同様に、溶融樹脂が充填される。そして、所定の時間だけ冷却されることにより、第１金属製プレート５５の他方の面５５ｂには、第１シール部材５６を構成する他方のシール部５６ｂが成形される（図８参照）。これにより、第１セパレータ２４が製造される。

なお、図６に示すように、第１絶縁性ブッシュ７２と上型９４とを位置決めするために、位置決めピン９８を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、第１金属製プレート５５に設けられる図示しない位置決め用孔部を用いて、前記第１金属製プレート５５と上型９４とを位置決めすることも可能である。

さらに、成形型９０は、上型９４と下型１００とを用いて第１金属製プレート５５の一方の面５５ａと他方の面５５ｂとに、それぞれ個別に射出成形を行ってシール部５６ａ、５６ｂを個別に成形しているが、前記一方の面５５ａと前記他方の面５５ｂとに前記シール部５６ａ、５６ｂを同時に成形することもできる。

このように、本実施形態では、第１金属製プレート５５にインサート部品として第１絶縁性ブッシュ７２が配置された状態で、第１シール部材５６が一体成形されるとともに、前記第１シール部材５６の重合部６０ｃが、前記第１絶縁性ブッシュ７２を前記第１金属製プレート５５に保持することにより、第１セパレータ２４が構成されている。

同様に、第２セパレータ２６では、第２金属製プレート６２に第２シール部材６４が一体成形されるとともに、この第２シール部材６４の重合部６８ｃが、インサート部品である第２絶縁性ブッシュ７４を前記第２金属製プレート６２に保持して構成されている。

従って、第１及び第２セパレータ２４、２６の製造作業が有効に簡素化されるとともに、第１及び第２絶縁性ブッシュ７２、７４は、前記第１及び第２セパレータ２４、２６に一体化されている。このため、第１及び第２セパレータ２４、２６同士の位置決め作業が一挙に容易且つ確実に遂行される。

具体的には、電解質膜・電極構造体２２を挟んで第１及び第２セパレータ２４、２６が配置され、前記第１セパレータ２４に保持されている第１絶縁性ブッシュ７２の孔部７３に、前記第２セパレータ２６に保持されている第２絶縁性ブッシュ７４の第２膨出部８０が嵌合する（図４参照）。このため、第１及び第２セパレータ２４、２６は、電解質膜・電極構造体２２を挟んで互いに位置決め保持される。

これにより、第１及び第２セパレータ２４、２６自体を経済的且つ簡単に構成することができるとともに、燃料電池１０の組み付け作業が確実に効率化され、しかも、複数の前記燃料電池１０が積層される燃料電池スタック１２の組み付け作業全体の効率化が容易に図られるという効果が得られる。

その際、各燃料電池１０同士は、第２絶縁性ブッシュ７４の凹部８２に他の第２絶縁性ブッシュ７４の凸部８４が嵌合されることにより、互いに位置決めされる。

次に、上記の燃料電池１０の動作について、燃料電池スタック１２との関連で説明する。

燃料電池スタック１２内には、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、水素含有ガス等の燃料ガス、及び純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路５０に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第１セパレータ２４の燃料ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。

なお、本実施形態では、図８に示すように、第１シール部材５６は、第１絶縁性ブッシュ７２のフランジ部７５の外周端縁部のみを埋設する重合部６０ｃを設けているが、燃料電池１０の構成によっては、例えば、図９に示す第１シール部材１１０を用いることができる。

第１シール部材１１０は、第１金属製プレート５５の一方の面５５ａに一体成形されるシール部１１０ａと、他方の面５５ｂに一体成形されるシール部１１０ｂとを有する。シール部１１０ａには、第１絶縁性ブッシュ７２のフランジ部７５の外周縁部を埋設する重合部６０ｃを有する一方、シール部１１０ｂは、前記第１絶縁性ブッシュ７２の膨出部７６の外周縁部を埋設する重合部６０ｄを有している。

従って、第１絶縁性ブッシュ７２は、大径側及び小径側の各外周縁部が重合部６０ｃ、６０ｄにより埋設されており、第１金属製プレート５５に対して一層確実且つ強固に保持されるという利点がある。なお、図示しないが、第２絶縁性ブッシュにおいても、同様に構成することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を積層した燃料電池スタックの概略構成説明図である。 前記燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の要部拡大断面図である。 金属製プレートに絶縁性ブッシュが配置された状態の説明図である。 前記金属製プレートが成形型に配置されて一方のキャビティが形成された状態の説明図である。 前記金属製プレートが前記成形型に配置されて他方のキャビティが形成された状態の説明図である。 前記金属製プレートにシール部材が成形された状態の説明図である。 前記金属製プレートに他のシール部材が成形された状態の説明図である。 特許文献１に係る燃料電池の要部分解断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６…セパレータ
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ５２、５４…位置決め用孔部
５５、６２…金属製プレート ５６、６４、１１０…シール部材
５８ａ、５８ｂ、６６ａ、６６ｂ…シールライン
６０ｃ、６０ｄ、６８ｃ…重合部 ７２、７４…絶縁性ブッシュ
７５、７７…フランジ部 ９０…成形型
９２、１００…下型 ９４…上型
９６、１０２…キャビティ

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体に積層される燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   互いに積層される金属製プレート同士を積層方向に位置決めする位置決め部材を、成形型内にインサート部品として少なくとも一方の前記金属製プレートに設けられた位置決め用孔部に配置する工程と、
   前記成形型内に溶融樹脂を射出して、前記金属製プレートにシール部材を一体成形して燃料電池用セパレータを得る工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、前記シール部材は、前記位置決め部材の少なくとも一部を埋設して前記位置決め部材を前記金属製プレートに保持することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体の両側に燃料電池用セパレータが積層される燃料電池の組み付け方法であって、
   互いに積層される第１及び第２金属製プレート同士を積層方向に位置決めする第１及び第２位置決め部材を、成形型内にインサート部品として前記第１及び第２金属製プレートに設けられた第１及び第２位置決め用孔部に配置する工程と、
   前記成形型内に溶融樹脂を射出して、前記第１及び第２金属製プレートに第１及び第２シール部材を一体成形して第１及び第２燃料電池用セパレータを得る工程と、
   前記第１及び第２燃料電池用セパレータ間に前記電解質・電極構造体を介装するとともに、前記第１位置決め部材と前記第２位置決め部材とを互いに嵌合させることにより、前記第１及び第２燃料電池用セパレータ同士を相対的に位置決めして燃料電池を得る工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の組み付け方法。
4. 請求項３記載の組み付け方法において、前記第１及び第２シール部材は、前記第１及び第２位置決め部材の少なくとも一部を埋設して前記第１及び第２位置決め部材を前記第１及び第２金属製プレートに保持することを特徴とするの燃料電池の組み付け方法。

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